光柵光譜儀星上儀器線形函數監測技術

劉宇翔 安寧 李明 石峰 魯之君

（北京空間機電研究所，北京 100094）

0 引言

對于大氣探測光譜儀類載荷而言，光譜數據的輻射精度和光譜精度是影響大氣成分反演的重要因素[1]。經過發射以及在軌運行，光譜儀的光學、結構和電子學部件會發生性能改變，導致實驗室定標結果變得不準確。為了得到準確的光譜數據，必須對這些變化進行校正，這就要求在實驗室定標的基礎上對光譜儀進行星上定標。近年來，隨著中國遙感載荷定量化應用需求的不斷提高和衛星設計壽命的延長，均開始設計并配備高精度的星上定標裝置[2]。

儀器線形函數（Instrument Line Shape，ILS）表征了光譜儀對于一個給定波長的單色光源的光譜響應[3]，是光譜儀進行高精度光譜定標的重要參數。衛星發射時的振動、軌道上的熱變化、在軌狀態和地面實驗室條件之間區別、外太空重力和輻射、儀器老化以及觀察模式的切換都可能會對在軌運行的高分辨光譜儀的ILS 產生微妙的影響。因此，對光譜儀整個在軌運行中的ILS 變化進行監督和更新是非常有必要的[4]。現在，應用最廣泛的光譜儀為傅里葉光譜儀和光柵光譜儀。傅里葉光譜儀通過空間調制分光，每個譜段的ILS在理論上是相同的，每個譜段中只需選取任意單一波長的ILS 進行測量即可。傅里葉光譜儀地面ILS 測定多選用氣體吸收法[5-9]、可調節激光器[10-15]等方法，通過選取工作譜段中較明顯的氣體吸收線或激光波長進行ILS 測量；星上ILS 測定則主要選用激光二極管作為光源[16-19]，原理與可調節激光器相同，每個激光二極管只有特定的波長，但卻具有質量輕、體積小、結構簡單等優點。還可選用太陽光譜進行星上ILS 測定，但需要對日地距離、太陽活動周期等參數進行修正[20]。光柵光譜儀與前者不同，是通過衍射進行分光，全譜段各波長的ILS 均不相同，因此不能通過單一波長測定ILS。地面ILS 測定通常會選用可調節激光器[21-23]，通過對波長進行等間距調節，對全譜段各波長進行掃描測定。由于無法進行星上全波長的ILS 掃描測定，因此只能在工作譜段選取特定波長進行星上ILS 監測[24]，而不是全波長的星上ILS 測量。

現在，中國已發射載荷中還沒有在星上對ILS 進行監測的光柵光譜儀。本文在參考TROPOMI 等國外光柵光譜儀載荷研制的基礎上，以某光柵光譜儀為載體，對星上ILS 監測技術進行研究，完成了方案設計、光學設計以及結構設計，實現了對光譜儀全口徑、全視場、全譜段的星上ILS 監測，光源輻照度均勻性高于95%。通過誤差分析以及地面模擬測試，最終達到星上ILS 監測誤差小于1%。此研究可以為后續光譜儀類載荷星上定標及星上ILS 監測提供技術參考。

1 方案設計

某光柵光譜儀共有4個譜段，以其為載體進行星上ILS 監測技術研究。

TROPOMI 配置了一個激光二極管，對其比較關注的譜段選取一個波長進行星上ILS 監測。本方案參考了其設計思路，并進行了改進，提高了ILS 監測精度和范圍。本方案選用可調諧激光二極管作為星上ILS監測光源，相比于只有單一波長的普通激光二極管，可調諧激光二極管可在其波長名義值附近進行波長的小范圍調節，從而提高星上ILS 監測精度。星上ILS 的測量和數據處理方法與地面使用可調諧激光器進行ILS 測量的方法相類似。激光二極管內部集成半導體制冷器和測溫傳感器，通過對其精密溫度調節進行波長掃描，在波長掃描過程中保持激光二極管電流不變，使光功率保持穩定。為了增大監測范圍，每個譜段配置2個不同波長的可調諧激光二極管。激光二極管的參數見表1。

為了實現監測光路覆蓋光譜儀的全口徑、全視場，進行了光學設計。星上ILS 監測光路組成如圖1 所示。星上ILS 監測光路由激光合束光路、積分球和準直光路組成。激光合束光路將8個激光二極管的光束準直合束后引入積分球，積分球將激光二極管的光勻光后輸出，準直光路將積分球出口的出射光準直后使其充滿光譜儀入瞳和視場。

表1 激光二極管參數Tab.1 Parameters of diode lasers

激光合束光路如圖2 所示。8個激光二極管分別經準直透鏡準直，然后經分色片、分束器（半反半透）合束后進入積分球，每個準直透鏡后預置衰減片用于調節激光能量。

圖1 星上ILS 監測光路Fig.1 The light path of on-board ILS measurement

圖2 激光合束光路Fig.2 The light path of laser beams

8個激光二極管在積分球激光入口處的腳印均為圓形，尺寸見表2。

表2 積分球入口處激光腳印尺寸Tab.2 Laser footprint dimensions at the integrating sphere entrance

通過結構設計及裝調，8個激光二極管的光源合束后可將口徑控制在15mm 以內，引入積分球。選用積分球可在盡量小的體積范圍內對激光光源進行勻光處理，同時降低激光光源的相干性。積分球內表面鍍金，在積分球出口處安裝光闌片；通過積分球進行勻光，積分球出口處光譜輻亮度滿足一定均勻性要求。

監測光從積分球出射后進入準直光路。準直光路由反射鏡1、反射鏡2和濾光片組成，采用離軸兩反形式，光路圖如圖3 所示。

星上ILS 監測時光譜儀入瞳處的光譜輻亮度不小于光譜儀的最大測量輻亮度，實測積分球出口輻亮度后，在濾光片設計時針對不同譜段提出不同的透過率要求，使星上ILS 監測時光譜儀入瞳處的光譜輻亮度處于光譜儀的動態范圍內。

以積分球出口處均勻性良好為前提，進行照度分析。在非序列模式中建立照度分析模型，光源放置于積分球出口，將接收探測器放置于入瞳處。光譜儀B1 譜段像面上照度分布的分析結果見圖4，X坐標為空間方向，Y坐標為光譜方向。通過對實際使用區域的輻照度數據進行統計，可以得到，B1 譜段像面沿空間方向的輻照度均勻性為98.6%、沿光譜方向的輻照度均勻性為99.5%。

光譜儀B2、B3、B4 譜段探測器焦面上照度分布的分析結果見圖5，X坐標為空間方向，Y坐標為光譜方向。通過對實際使用區域的輻照度數據進行統計，可以得到，B2、B3、B4 譜段像面沿空間方向的輻照度均勻性為98.2%，沿光譜方向的輻照度均勻性為99.5%。

圖3 準直光路Fig.3 The light path of the collimator

圖4 光譜儀B1 譜段像面上的照度分布Fig.4 Irradiance distribution of B1 channel

圖5 光譜儀B2、B3、B4 譜段像面上的照度分布Fig.5 Irradiance distribution of B2, B3 and B4 channels

通過光學設計，實現了對光譜儀全口徑、全視場、全譜段的星上ILS 監測，光源輻照度均勻性高于95%。根據光學設計對星上ILS 監測組件進行結構設計，并完成了加工和裝配。

2 ILS 監測誤差分析

測量ILS時，對每個激光二極管在波長名義值附近進行等步距波長掃描，波長掃描范圍以波長名義值為中心、帶寬為3Δλ（Δλ 為通道半高寬），在每個波長掃描點處通過保持激光二極管溫度和電流的穩定使輸出波長穩定。每一個激光掃描能精準地得到一個粗略ILS 函數，代表各個單像元的響應，通過將每個像元代表的波長質心平移到同心，將各個像元的響應組合在一起得出在波長名義值附近的平均ILS，平均ILS分辨率超過任何獨立像元測量的分辨率一個量級，提高了ILS 的測量精度。

ILS 的測量誤差由探測器誤差、激光二極管線寬、激光二極管的溫度和電流穩定性、系統雜散光、激光閃斑以及擬合誤差等決定。探測器誤差包括輸出信號不穩定性、像元間差異和非線性標定，通過使用不同激光二極管測試可得到誤差比例。激光二極管線寬小于3MHz，遠小于光譜儀的光譜分辨率，對ILS 測量精度的影響可以忽略。激光二極管的溫度和電流穩定性誤差通過激光二極管指標參數計算得到。雜散光影響誤差通過對光譜儀整機的雜散光仿真分析得到，占據了整個誤差因素的較大比例。激光閃斑產生誤差和擬合誤差根據經驗給出。星上ILS 測量誤差分析見表3，累計誤差最終可達到小于1%。

表3 星上ILS 測量誤差分析Tab.3 On-board ILS measurement error analysis 單位：%

3 地面模擬測試

光譜儀整機裝配完成后，對星上ILS 監測技術進行了地面模擬測試。對4個譜段的共8個激光二極管對應的波長名義值位置進行ILS 測量。測量ILS時，對每個激光二極管在波長名義值附近進行等步距波長掃描，最后將各個像元的響應組合在一起得出在波長名義值附近的平均ILS。對8個激光二極管分別進行測試，具體模擬測試過程如下：

1）在波長名義值位置進行采樣，將得到的像元響應進行歸一化處理，并擬合出圖形的質心位置；

2）通過改變激光二極管的電流，從而改變其溫度，最終改變其發射波長，最終實現每個激光二極管在波長名義值附近進行等步距波長掃描；

3）在每一個掃描點進行采樣，并將得到的像元響應進行歸一化處理，同時擬合出圖形的質心位置；

4）將每一個掃描點像元響應的圖形質心平移到同一個位置；

5）將平移后的所有點集進行高斯擬合，即得到激光二極管波長名義值位置的平均ILS。

8個激光二極管波長名義值附近的平均ILS 擬合結果見圖6。

圖6 8個激光二極管ILS 測量結果Fig.6 ILS measurement results of 8 diode lasers

ILS 測量誤差為波長響應值低于1%的總能量占全部能量的百分比，即

式中P為測量誤差；E為總能量；E0為波長響應值高于1%的總能量。

因為像元響應已作歸一化處理，所以

式中λ為歸一化波長；G（λ）為高斯擬合函數。

選取中心波長兩側歸一化響應值為1%的波長點λ1和λ2，即可計算波長響應值高于1%的總能量。

式中λ1、λ2為中心波長兩側歸一化響應值為1%的波長點，即G（λ1）=G（λ2）=0.01。

將式（2）、（3）代入（1），ILS 測量精度即可表示為8個激光二極管的測量精度見表4，均優于1%。

表4 8個激光二極管ILS 測量精度Tab.4 The ILS measurement precision of 8 diode lasers單位：%

4 結束語

本文以某光柵光譜儀為載體，進行了星上ILS 監測技術研究。選用可調諧激光二極管作為星上ILS 監測光源，完成了方案設計、光學設計和結構設計，實現了對光譜儀全口徑、全視場、全譜段的星上ILS 監測。通過光學仿真分析，得到光源輻照度均勻性高于95%；通過地面模擬測試，得到ILS 監測誤差小于1%，驗證了此星上ILS 監測方法的可行性。此技術選用多個不同波長的可調諧激光二極管作為監測光源，激光二極管波長可根據光柵光譜儀譜段范圍進行選擇，較為方便靈活；通過激光合束光路設計，即可實現全譜段的星上ILS 監測。此技術可與其他星上定標技術（光譜定標、輻射定標）相結合，通過集成設計研制出星上定標裝置，實現光柵光譜儀星上定標集成化設計。通過此項技術研究，可為后續光譜儀類載荷星上定標技術提供一定技術參考。